Des professeurs de l'ETSi découvrent une méthode de production massive de microfibres

Des professeurs du Département d'Ingénierie Aérospatiale et Mécanique des Fluides de l'École Technique Supérieure d'Ingénierie de l'Université de Séville réalisent une méthode de production en série de microfibres fabriquées avec un polymère appelé alcool polyvinylique (PVA). Cette étude, rassemblée dans l'article https://doi.org/10.1039/D3RA03070A , présente une avancée quantitative concernant la possibilité de produire industriellement des nanofibres.

Les professeurs Luis Modesto López et Alfonso Gañán Calvo, ainsi que l'étudiant Jesús Olmedo Pradas, présentent dans cet article cette nouvelle technologie, qui peut être appliquée à la production massive de micro et nanomatériaux, en particulier de nanofibres. « En raison de la capacité de traitement élevée, la technique que nous proposons pourrait, à l'avenir, être étendue et adaptée à la production industrielle, améliorant ainsi les ratios de production. De plus, il faut tenir compte du fait qu'il s'agit d'une technique de production de fibres polymères et que ces matériaux sont présents dans pratiquement tous les aspects de la vie quotidienne, son application est donc vraiment large et diversifiée : fabrication de soi-disant échafaudages biocompatibles pour une utilisation dans les tissus régénération, production de plates-formes fibreuses pour les systèmes de production et de stockage d'énergie (c'est-à-dire les électrodes), systèmes d'impression 3D. Une autre des applications industrielles les plus visibles et actuellement pertinentes serait la fabrication de matériaux pour masques et EPI ou pour ce que l'on appelle les « Smart wearables » (« tissus intelligents ») », explique le professeur Modesto López.

La pertinence de ces travaux réside dans la production massive de fibres très fines, appelées microfibres, et constituées d'un polymère appelé alcool polyvinylique (PVA). Pour ce faire, ils utilisent un procédé unique avec lequel, avec un seul injecteur, ils ont la capacité de traiter mille fois plus de microfibres qu'avec les systèmes conventionnels, comme ce qu'on appelle l'électrofilage ou « électrospinning ». Ces microfibres ont un diamètre inférieur à 1 micromètre (1 micron, un millionième de mètre), compris entre 0,9 et 0,5 microns, ce qui signifie qu'elles sont beaucoup plus fines qu'un cheveu humain (100 microns) ou qu'un globule rouge (8 microns). . Ils peuvent même être aussi fins que le coronavirus (moins de 0,5 micron).

L'étude visait à développer une technologie simple mais robuste pour produire des micro- et nanofibres à l'aide d'injecteurs pneumatiques de type Flow Blurring® (fournis par Ingeniatrics Tecnologías SL). Ces appareils utilisent un courant d'air pour fragmenter un flux de liquide, donnant lieu à la formation de fines gouttelettes (comme celles générées par les arroseurs de terrasse), processus appelé pulvérisation. Il est important de noter que notre étude a été financée grâce aux fonds des programmes PAIDI 2020 et FEDER.

Le professeur Modesto López raconte comment ils sont arrivés à cette découverte : « La recherche a commencé par des essais de pulvérisation dans lesquels on cherchait la production de microgouttelettes. Cependant, nous avons plutôt des structures allongées que nous appelons des ligaments. En étudiant la physique sous-jacente au processus de pulvérisation, nous avons réalisé que les ligaments étaient formés en utilisant des liquides très visqueux présentant une certaine viscoélasticité. Il fallait cependant une méthode pour solidifier les ligaments et obtenir des fibres. Nous avons donc eu recours à une source de chaleur, en l’occurrence un four tubulaire capable d’atteindre des températures allant jusqu’à 1 200 degrés Celsius, bien que dans notre étude, 300 degrés suffisaient. En résumé, nous pulvérisons une solution de polymère dans le four à l’aide d’un injecteur Flow Blurring. La chaleur générée par le four a permis un séchage rapide des ligaments, entraînant la formation de microfibres en quelques secondes. De même, en parallèle, nous effectuons des simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour mieux comprendre les processus physiques qui régissent la fragmentation des solutions polymères et la formation des ligaments.

La plupart des travaux ont été réalisés dans le laboratoire de Mécanique des Fluides, dans le Département d'Ingénierie Aérospatiale et Mécanique des Fluides de l'ETSI, bien qu'ils aient également utilisé les installations du CITIUS, où ils ont analysé la viscosité des solutions de polymères dans les phases de Caractérisation Fonctionnelle et nous examinons la forme et la taille des microfibres à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) de l'unité de Microscopie.

Le projet est transformateur dans la mesure où il vise à révolutionner les méthodes conventionnelles de production de micro et nanofibres. Actuellement, les techniques de fabrication de nanofibres les plus courantes utilisent les champs électriques comme source d’énergie pour « étirer » les solutions polymères, réduire leur taille et/ou les fragmenter ; mais cela nécessite que le liquide ait une certaine conductivité électrique. Par ailleurs, ces techniques présentent une faible capacité de traitement de la solution en question, de l'ordre de 0,1 millilitre par heure. En ce sens, notre technologie est plus efficace énergétiquement que les méthodes actuelles puisqu'elle ne dépend pas d'une source d'énergie externe pour fragmenter le liquide, mais profite plutôt de l'énergie mécanique contenue dans le flux d'air pour générer une nouvelle surface, c'est-à-dire une multiplicité de ligaments plus fins. De même, la technologie proposée a une capacité de traitement très élevée puisqu'elle peut fonctionner avec des débits de liquide de l'ordre de 1500 millilitres par heure, soit plus de mille fois la capacité des systèmes conventionnels. De même, ce projet ouvre une nouvelle ligne de recherche liée à la fabrication de fibres composites constituées de deux ou plusieurs matériaux polymères et pouvant à leur tour contenir des nanoparticules fonctionnelles ou des matériaux tels que le graphène et les nanotubes de carbone.